Una estrategia de mejoramiento para incrementar el potencial de

Investigación
Reprinted with permission from FLAR. Originally published in Foro Arrocero latinoamericano 8(2):
10-13, Copyright 2002.
Una estrategia de mejoramiento
para incrementar el potencial de
rendimiento en arroz
Por: Peter R. Jennings1; L. E. Berrío 1; E. Torres1; E. Corredor2
Introducción
recesivo para semienanismo, con el cual los tallos se
redujeron extraordinariamente en longitud y las hojas
quedaron en posición erecta. Estas plantas segregantes
bajas y de tallos fuertes, se seleccionaron y se avanzaron
rápidamente, dando origen a la línea que en 1966 se
lanzó como IR8. La morfología de ésta y las subsecuentes
variedades semienanas se aproximaron bastante al ideal
teórico del tipo de planta postulado en la publicación
de 1964.
En 1962, los mejoradores de arroz enfrentaban un reto
formidable cuando se creó el Instituto Internacional de
Investigaciones de Arroz (IRRI). Las variedades de arroz
del trópico asiático, con gran variabilidad en muchos
caracteres, presentaban una gran uniformidad en
cuanto al tipo de planta. Estos arroces altos, susceptibles
al volcamiento, tenían un bajo potencial de rendimiento
que no respondía a las prácticas de mejoramiento del
cultivo. Los promedios nacionales eran bajos y estaban
estancados, alrededor de 1.5 t/ha.
A IR8 le siguieron rápidamente otras variedades
tropicales de prodigiosa capacidad de rendimiento, como
Jaya de India y Bg90-2 de Sri Lanka. Estas primeras
variedades semienanas establecieron unos registros
extremadamente altos de producción al sembrarse en el
trópico cuando se les proporcionaba un mejor manejo
del cultivo basado en irrigación, fertilización y control
de malezas. Aún sin mejores prácticas agronómicas, las
nuevas variedades podían sobrepasar los rendimientos
de las variedades altas, aunque no de manera consistente.
Este inmenso salto en la capacidad de rendimiento fue
un evento de magnitud inesperada, debido al efecto de
un gen de acción pleiotrópica, proceso diferente al
avance genético gradual y acumulativo a través del
tiempo, característico de cultivos de polinización abierta
como el maíz.
Debido a que las variedades tropicales no respondían
satisfactoriamente a mejores prácticas agronómicas, los
mejoradores del IRRI lanzaron la hipótesis de que, para
obtener un marcado incremento en la capacidad de
rendimiento, era necesario un cambio radical en el tipo
de planta. Así mismo, se daba como un hecho el que
cambios menores no propiciarían un incremento
notable en productividad para lograr acercarse a los
rendimientos de ese entonces en los países templados,
que estaban entre 4-6 t/ha. Los objetivos de
mejoramiento estaban claros; no así, cómo lograrlos.
Esta hipótesis, presentada en un seminario del IRRI en
1962, proponía alteraciones teóricas al tipo de planta
del trópico basadas en algunas informaciones
publicadas, principalmente en Japón, acompañadas de
considerable especulación e intuición. Este tipo de
planta ideal, estaba diseñado para maximizar la
intercepción de la radiación solar, minimizar el
volcamiento y responder a insumos. Este concepto de
un ideotipo de arroz, se expandió y el artículo
correspondiente se sometió a consideración de Crop
Science en 1963 y se publicó al año siguiente (1).
Durante los siguientes 35 años, se produjeron miles de
variedades semienanas a través del mundo entero,
resultando en un notable incremento del promedio de
los rendimientos nacionales. Las últimas variedades
ofrecieron múltiples ventajas sobre las primeras
variedades semienanas en caracteres, tales como período
de maduración, calidad culinaria y molinera y resistencia
o tolerancia a una serie de adversidades bióticas y
abióticas. Era claro, que las recientes variedades
producían altos rendimientos en la presencia de factores
de estrés. Sin embargo, es poco probable que alguna de
estas variedades semienanas mejoradas haya excedido
a IR8, Jaya o Bg90-2 en la capacidad de rendimiento.
Todavía no sabemos por qué el potencial de rendimiento
de las primeras variedades semienanas no ha sido
superado.
Al mismo tiempo que los mejoradores desarrollaban el
concepto de tipo de planta como un objetivo de
mejoramiento, se hacían en 1962, unos pocos
cruzamientos iniciales entre variedades altas tropicales
y variedades bajas de Taiwán. Las plantas F1 del
cruzamiento simple sembradas entre 1962-63 fueron
altas y nada destacables. De manera completamente
inesperada, las poblaciones F2 mostraron un alelo
Fitomejoradores FLAR, 2Fitomejorador FEDEARROZ
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Historia de la permanencia verde
(Stay-Green) en el germoplasma índica en
Colombia
El resultado ha sido el de un tope varietal en la
capacidad de rendimiento establecida a finales de
los años 60, acompañado de un estancamiento en
los rendimientos nacionales, una vez se completó el
paso de variedades altas a enanas. Cualquier
resultado en el incremento del rendimiento, desde
entonces, ha sido atribuido a mejores prácticas de
cultivo.
En Colombia el programa de arroz se inició en 1958 a
raíz de un problema urgente de una epidemia causada
por el virus de la hoja blanca. Al no encontrarse
resistencia al virus en ninguna de las variedades
índicas, los mejoradores recurrieron a las japónicas
que tenían una resistencia entre alta y moderada. Los
donantes seleccionados para los cruzamientos con
índicas fueron japónicas taiwanesas insensibles a las
temperaturas tropicales y a la longitud del día. Estos
progenitores tenían un follaje verde oscuro y poca o
ninguna senescencia de la hoja al momento de
maduración del grano. Aunque no hay ninguna
asociación entre la resistencia a hoja blanca y los
caracteres de la hoja, muchas líneas de permanencia
verde resistentes al virus, se desarrollaron sin hacer
una selección consciente del color de la hoja o de la
permanencia verde. Esas primeras líneas de arroz
índica-japónicas y sus descendientes se usaron
repetidamente por más de 40 años en los programas
de cruzamientos, resultando en un germoplasma
típico de índicas con resistencia a hoja blanca y hojas
con permanencia verde.
Los mejoradores de arroz en general reconocieron,
hacia mediados de los 80, que los avances en el
mejoramiento de la capacidad de rendimiento no
iban a surgir de continuar haciendo cruces y
selecciones entre semi-enanas. A raíz de esto y en
forma independiente, elaboraron varias estrategias,
a fin de sobrepasar el potencial de rendimiento
establecido por las mejores variedades semi-enanas.
Estas estrategias incluyeron métodos de selección
tan dispares como la selección de componentes de
rendimientos, arroces híbridos, selección recurrente,
el nuevo tipo de planta propuesto por IRRI y la
introgresión de QTLs de cruzamientos amplios que
involucraban diferentes especies de Oryza.
Algunas de estas estrategias son intelectualmente
innovadoras y todas han sido profundamente
investigadas. La euforia inicial y los argumentos
prematuros de avance genético de algunas de estas
actividades no han pasado la prueba del tiempo. La
excepción es el arroz híbrido, un éxito incalificable
para la situación excepcional de China, pero de un
valor cuestionable para los lugares donde se utiliza
el método de siembra directa, o donde los subsidios
para minimizar el alto costo de la semilla no existen.
A través de este largo período de cruzamiento y
selección no hubo una selección directa por el color
de las hojas o por la presencia de permanencia verde.
Con excepción del reciente lanzamiento de
Fedearroz 50, ninguna de las muchas variedades
producidas durante las décadas pasadas en
Colombia, tenían follaje verde oscuro no senescente,
lo que indica que los mejoradores no pusieron mucha
atención en este caracter.
En vista de estos frustrantes antecedentes de
ganancia limitada en el potencial de rendimiento
durante los pasados 35 años, proponemos una
nueva estrategia para incrementar la capacidad de
rendimiento. No creemos que más modificaciones
en el tipo de planta sean territorio fértil para obtener
ganancias genéticas apreciables. La estrategia
propone la extensión del período de fotosíntesis
activa a través de la permanencia verde (Stay-green)
del follaje como medio para incrementar el potencial
de rendimiento. Esta hipótesis es análoga a aquella
del tipo de planta establecida como un objetivo de
mejoramiento en los comienzos de los años sesenta
antes de que el gene de semienanismo fuera
descubierto, en la medida en que involucra la
combinación de una limitada información publicada,
una considerable observación en campo y una fuerte
dosis de especulación. Proponemos esta estrategia
como un recurso de investigación, con la salvedad
de que ésta, como las otras citadas, podría no llenar
las expectativas.
Hasta el momento, mucho de nuestro material
mejorado tiene estas características en la hoja y
actualmente se seleccionan por permanencia verde.
En nuestro programa, el color de las
hojas de los materiales varía, desde un
verde pálido típico de índicas tropicales,
hasta un verde oscuro profundo y las
senescencia varía desde senescencia
temprana hasta permanencia verde.
Rara vez se observan índicas verde
oscuro con permanencia verde ,
provenientes de otros programas
tropicales de mejoramiento.
Aunque el valor de la permanencia
verde es ampliamente conocido en
otros cultivos, no tenemos conocimiento de que otros programas
tropicales de arroz hagan selección
directa para esta característica en la
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actualidad. Independientemente del rango en el color
de las hojas y del grado de senescencia, observamos una
correlación general entre las hojas pálidas y una
senescencia temprana, en tanto que las verde oscuras
presentan, invariablemente, permanencia verde. En arroz,
todas las hojas incluyendo la hoja bandera de las líneas
con permanencia verde, permanecen funcionales
después de la maduración del grano. Típicamente las
índica con senescencia temprana muestran un deterioro
y secamiento de las hojas justo después de la floración y
bastante antes del llenado del grano. La intensidad del
color de la hoja es constante en todos los estadíos de
crecimiento de una línea dada. La fertilización con
nitrógeno intensifica temporalmente el color de las hojas,
pero no hasta el punto de confundir el tono del fondo.
El color de las hojas y el grado de senescencia se heredan
independientemente del
período de maduración en
arroz.
Observaciones en campo de la
variedad Fedearroz 50
Fedearroz 50, lanzada en 1998, rápidamente ocupó
gran parte del área de arroz en Colombia y ha sido
sembrada en otros países tropicales del hemisferio.
La variedad es una típica índica que tiene japónicas
de Taiwán y África occidental como progenitores
lejanos. Fedearroz 50 difiere de las otras 300
variedades semi-enanas lanzadas en América Latina
durante los últimos 35 años en que tiene hojas de un
intenso color verde, una hoja bandera larga y erecta
poco común y un follaje de permanencia verde. Su
potencial de rendimiento es similar al de IR8 o
Bg90-2. El macollamiento, por debajo del promedio,
se compensa con sus grandes panículas. Su ciclo es
de una a tres semanas más
largo que el de otras
variedades.
Aún teniendo en cuenta
que un ciclo prolongado
al igual que una hoja
bandera
de
mayor
longitud contribuyen a
Algunas investigaciones
su alta capacidad de
pioneras, aunque explorendimiento, se sospecha
ratorias, realizadas en
que el carácter de
China (2) relacionaron la
permanencia verde, que
permanencia verde con
envuelve
una
tasa
potencial de rendimiento. Las
fotosintética inusualmente
Senescencia y Stay-green , respectivamente.
variedades índicas con
alta y que acentúa el
senescencia temprana se
contenido de nitrógeno y
transformaron con un
clorofila, está críticamente
gen inhibidor de senescencia proveniente de
involucrado. El carácter de permanencia verde es tal,
Arabidopsis. Se encontraron incrementos en la tasa
que sus hojas son normales y funcionales al
fotosintética y en el contenido de clorofila en las
momento de la maduración fisiológica del grano.
variedades transformadas cuando se compararon con
Entre otras características varietales encontradas en
los controles no transformados. Esto dio como resultado
Fedearroz 50 que pudieran relacionarse con este tipo
una enorme ganancia en el número de macollas, número
especial de follaje podríamos mencionar:
de semillas, rendimiento y biomasa. Aunque la magnitud
de las ganancias registradas puede ser sospechosa, hubo
• Excelente rendimiento de grano entero en
un gran avance en el rendimiento de los materiales
el molino.
transformados, aparentemente derivado de una
fotosíntesis más efectiva. Curiosamente no se hace
• Buena tolerancia a quebrado del grano en
mención de las diferencias de color en las plantas
retraso de cosecha.
transformadas.
• Rendimientos extraordinariamente altos de
FLAR obtuvo respaldo para estos argumentos con la
la soca, de siete a diez t/ha., representando
asistencia de Idupulapati Rao, de CIAT, en una evaluación
entre un 60 a 70% de los rendimientos de la
inicial de la permanentemente verde Fedearroz 50 y la
cosecha inicial.
senescente temprana Cica 8 en nuestras parcelas de arroz.
La hoja bandera de Fedearroz 50 al momento de
maduración del grano mostró grandes ventajas en el
contenido de clorofila, tasa de fotosíntesis y contenido
de nitrógeno.
Evidencias fisiológicas de
Stay-Green asociadas
con la capacidad de
rendimiento
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• Posible incremento en tolerancia al estrés
producido por enfermedades causadas por
patógenos débiles como Rhyncosporium,
Sarocladium, Helminthosporium y el
complejo de agentes causales asociados con
manchado de grano.
Evidentemente, la relación de estas característica con
el follaje verde oscuro y permanencia verde es algo
que debe someterse a una investigación rigurosa. La
hipótesis inicial de nuestro trabajo es que, hojas
saludables con actividad fotosintética en y después de
la maduración, contribuyen a una mayor capacidad
de rendimiento, calidad superior de molinería a través
de la translocación de carbohidratos y tolerancia al
estrés relacionado con enfermedades.
Observaciones adicionales sobre
hojas Stay-Green
La permanencia verde se encuentra frecuentemente
en variedades tipo japónica, tanto templadas como
tropicales. Es característica del nuevo tipo de planta de
origen javánica promovida por el IRRI, así como del
germoplasma de Surinam y África occidental. A manera
especulativa formulamos que la permanencia verde
en japónicas contribuye en forma sustancial a su buen
potencial de rendimiento, a pesar de su deficiencias
en tallos y tipo de planta en general. La permanencia
verde en los genotipos índicas es poco común
exceptuando los materiales de FLAR y de CIAT.
Obviamente, hay muchos materiales de permanencia
verde con baja capacidad de rendimiento y este
caracter deberá asociarse con un excelente tipo de
planta y panícula más grandes para almacenar la
producción adicional de carbohidratos provenientes
de la combinación del follaje de permanencia verde y
un tipo de planta superior.
Hasta el momento no tenemos información acerca de
la herencia del color de las hojas y la permanencia
verde en arroz. Parece que se expresa en el campo en
variaciones en las hojas que van desde un verde pálido
a un verde oscuro y en rangos desde senescencia
temprana hasta permanencia verde absoluta, al
momento de maduración del grano. Sin embargo, el
comportamiento de selección del carácter en múltiples
poblaciones F2-F4 en un programa de mejoramiento
sugiere una forma de herencia relativamente simple.
Algunas hermanas F4 provenientes de una línea F3,
pueden presentar considerables diferencias de estas
características en la hoja.
Propuesta de investigación en
Stay-Green
Nuestras observaciones y experiencia sugieren que la
selección por permanencia verde combinada con una
hoja bandera larga y erecta, es válida y puede ser un
objetivo de mejoramiento con gran potencial para el
incremento en la capacidad de rendimiento. En el
momento no podemos estimar el avance genético que
se podría generar con esta estrategia, aunque
esperamos que la ganancia genética sea al menos
igual a la que se obtiene por heterosis. Todos los cruces
triples de FLAR, actualmente involucran al menos un
progenitor con permanencia verde haciendo énfasis
en esta característica en los terceros progenitores. En
la selección de nuestras plantas individuales F2-F4
damos preferencia a las segregantes con permanencia
verde.
Ya hemos iniciado estudios básicos sobre la relación
de permanencia verde, su fisiología y su relación con
potencial de rendimiento y otros caracteres de
importancia económica. Se han efectuado también los
cruzamientos simples apropiados entre materiales
senescentes (hojas verde pálido) y con permanencia
verde (hojas verde oscuro). Los progenitores y las
plantas F1 serán catalogados en su maduración
fisiológica por el contenido de nitrógeno y clorofila
en la hoja, como también por su tasa fotosintética.
Proponemos pasar por cultivo de anteras las plantas
F1 con el fin de regenerar las dobles haploides. Las
plantas R1 de cada cruce serán asignadas a dos
poblaciones esencialmente isogénicas, una con
permanencia verde y otra con senescencia temprana.
Las poblaciónes de semillas masales R2 de plantas
morfológicamente similares serán evaluadas por
rendimiento, rendimiento en soca, período de llenado
de grano desde floración a maduración, proteína,
rendimiento de molino, tolerancia a retraso de cosecha
y reacción a algunos patógenos secundarios. Estos
comportamientos se relacionarán con el nitrógeno en
la hoja, contenido de clorofila y tasa fotosintética.
Referencias bibliográficas
(1) Jennings, P. R. Plant Type as a Rice Breeding
Objective. Crop Science 4: 13-15. 1964.
(2) CAO Mengliang. Performance of Autoregulatory
Senescence-Inhibition Gene in Rice. Hunan Agr. Sci.
and Tech. Newsletter, Vol. 2, No. 2: 1724. 2001.
Reprinted with permission from FLAR. Originally published in Foro Arrocero
latinoamericano 8(2): 10-13, Copyright 2002.
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